Kemiska föreningar bär alla distinkta absorptions-"fingeravtryck" inom det mellaninfraröda spektralområdet på 2 till 12 mikron. Detta ger en möjlighet att mäta och studera kemikalier på extremt känsliga nivåer men forskare saknar verktygen, som lasrar och detektorer, behövs för att fungera inom mitten av infrarött. Nyligen, Det har drivits på att utveckla nya verktyg för att se och mäta dessa kemiska föreningar mer i detalj.

I ett genombrott, en grupp forskare vid National Institute of Standards and Technology utvecklade en laserkälla på kiselchip med utgångar som består av exakt definierade och lika fördelade optiska linjer inom det mellersta infraröda spektralområdet. De rapporterar sina fynd i APL Photonics .

Dessa lasrar, kallade frekvenskammar, "fungera som" härskare "av ljus och har många tillämpningar - från överföring av tidsstandarder och förbättring av GPS -signaler till precisionsspektroskopi, "sa Nima Nader, en postdoktor för NIST.

För spektroskopiska tillämpningar, denna typ av koherent ljuskälla kan passera genom en provcell som innehåller okända gaser. Dessa gaser absorberar en del av ljuset och lämnar efter sig fingeravtryck på mycket specifika kamlinjer. Forskare kan kontrollera dessa linjer mot en databas med gaser för att identifiera de specifika kemikalier som finns.

Utöver detta, laserkällans sammanhängande natur "möjliggör långsträckt spridning av ljus så att kemiska prover kan studeras på distans, utan direkt kontakt, "Nader sa." Och eftersom frekvenskammar är stabiliserade laserkällor, de kan upptäcka mycket låga kemikalier och öka känsligheten hos våra mätningar. "

Dessa källor är tillverkade på en kompakt, kiselbaserad integrerad fotonikplattform, vilket möjliggör hundratals enheter - i det här fallet frekvenskammar – att tillverkas på en enda form med liten yta.

"Varje enhet är konstruerad för att generera ett mitten-infrarött spektrum av sammansatta optiska linjer med skräddarsydd spektral form, bandbredd, och optisk effektfördelning, "Sa Nader.

Dessa laserkällor är "lika sammanhängande och ljudlösa som konventionella frekvenskammar som utvecklats före vårt arbete, "Nader sa." Vi rapporterade också, för första gången, dubbelkammspektroskopi av ett gasprov med en medelkraftig infraröd frekvenskammkälla som utnyttjar en kiselfotonisk plattform. "

Dessa utvecklingar förbättrar konventionella tekniker såsom Fourier-transform-infraröd spektroskopi. En praktisk, bredband, lågbrusande mitten av infraröd frekvenskam med måttlig effekt och konstruerat spektrum kan förbättra frekvensprecisionen, känslighet, och datainsamlingshastigheter för medelinfraröd spektroskopi.

"Våra användarkontrollerade och konstruerade multibandspektra är idealiska för applikationer där parallell multicomb-drift är önskvärd-såsom punktsensorer för realtidsövervakning av kemisk syntes in situ, nära fältmikroskopi, och fjärranalys, ", sa Nader. "Dessa sensorer kan avsevärt öka detekteringskänsligheten för verktyg och tekniker som utandningsanalysatorer, cancer upptäckt, spårning och upptäckt av sprängämnen, och övervakning av läkemedelssyntes. "

Nästa steg är att pressa den optiska bandbredden hos NIST:s frekvenskammar till längre infraröda våglängder och högre optisk effekt. "Vi arbetar också med att minska deras fotavtryck och strömförbrukning för att skapa kompakta system med förbättrad effektivitet, "Sa Nader.